POLITECNICO DI TORINO Repository ISTITUZIONALE Automatic control of a multirotor Original Automatic control of a multirotor / Rinaldi, Filippo. - (2014). Availability: This version is available at: 11583/2539287 since: Publisher: Politecnico di Torino Published DOI:10.6092/polito/porto/2539287 Terms of use: openAccess This article is made available under terms and conditions as specified in the corresponding bibliographic description in the repository Publisher copyright (Article begins on next page) 05 October 2021 POLITECNICO DI TORINO SCUOLA DI DOTTORATO Dottorato in Ingegneria Aerospaziale - XXVI ciclo Tesi di Dottorato Automatic control of a multirotor Filippo Rinaldi Tutori Coordinatore del corso di Dottorato Prof. Sergio Chiesa Prof.ssa Fulvia Quagliotti Prof.ssa Fulvia Quagliotti Prof. Giorgio Guglieri Marzo 2014 Summary Objective of this thesis is to describe the design and realisation phases of a multirotor to be used for low risk and cost aerial observation. Starting point of this activity was a wide literature study related to the techno- logical evolution of multirotors design and to the state of the art. Firstly the most common multirotor configurations were defined and, according to a size and performance based evaluation, the most suitable one was cho- sen. A detailed computer aided design model was drawn as basis for the realisation of two prototypes. The realised multirotors were “X-shaped” octorotor with eight coaxially coupled motors. The mathematical model of the multirotor dynamics was studied. “Proportional Integral Derivative” and “Linear Quadratic” algorithms were chosen as techniques to regulate the attitude dynamics of the multirotor. These methods were tested with R a nonlinear model simulation developed in the Matlab Simulink environ- ment. In the meanwhile the Arduino board was selected as the best compro- mise between costs and performance and the above mentioned algorithms were implemented using this platform thanks to its main characteristic of being completely “open source”. Indeed the multirotor was conceived to be a serviceable tool for the public utility and, at the same time, to be an accessible device for research and studies. The behaviour of the physical multirotor was evaluated with a test bench designed to isolate the rotation about one single body axis at a time. The data of the experimental tests were gathered in real time using a custom Matlab code and several indoor tests allowed the “fine tuning” of the controllers gains. Afterwards a portable “ground station” was conceived and realised in ad- herence with the real scenarios users needs. Several outdoor experimental flights were executed with successful results and the data gathered during the outdoor tests were used to evaluate some key performance indicators as the endurance and the maximum allowable payload mass. Then the fault tolerance of the control system was evaluated simulating and experimenting the loss of one motor; even in this critical condition the system exhibited an acceptable behaviour. The reached project readiness allowed to meet some potential users as the “Turin Fire Department” and to cooperate with them in a simulated emer- gency. During this event the multirotor was used to gather and transmit real time aerial images for an improved “situation awareness”. Finally the study was extended to more innovative control techniques like the neural networks based ones. Simulations results demonstrated their ef- fectiveness; nevertheless the inherent complexity and the unreliability out- side the training ranges could have a catastrophic impact on the airworthi- ness. This is a factor that cannot be neglected especially in the applications related to flying platforms. Summarising, this research work was addressed mainly to the operating pro- cedures for implementing automatic control algorithms to real platforms. All the design aspects, from the preliminary multirotor configuration choice to the tests in possible real scenarios, were covered obtaining performances comparable with other commercial o↵-the-shelf platforms. Sommario Obiettivo di questa tesi `ela descrizione delle fasi di progettazione e realiz- zazione di una piattaforma multirotorica per l’osservazione aerea a basso rischio e costo. Punto di partenza del lavoro `estata una vasta ricerca storico-bibliografica e↵ettuata allo scopo di conoscere l’evoluzione tecnolo- gica nel design dei multirotori ed il relativo stato dell’arte. Sono state dunque individuate le principali configurazioni di multirotori e sulla base della valutazione delle dimensioni minime e delle potenziali prestazioni ot- tenibili `estata scelta la configurazione ottima tra quelle possibili. Succes- sivamente `estato realizzato un modello CAD di dettaglio sulla cui base sono stati costruiti due prototipi di multirotore con otto rotori coassiali a coppie. Constestualmente `estata e↵ettuato uno studio di dettaglio sulla modellazione matematica del comportamento dinamico del prototipo. Sono stati inoltre progettati due regolatori automatici, uno di tipo “Proporzionale Integrale Derivato” e l’altro di tipo “Lineare Quadratico” per il controllo della dinamica di assetto del velivolo costruito. Questi controllori sono stati R validati in ambiente Matlab Simulink verificandone l’interazione con il modello non lineare del velivolo. Nel contempo `estata eseguita un’ indagine di mercato sui principali produttori di hardware programmabili per il con- trollo automatico ed `estata selezionata la scheda Arduino come miglior compromesso tra costo ed adeguatezza al raggiungimento degli obiettivi prefissati. Lo studio delle caratteristiche di tale scheda elettronica e del relativo linguaggio di programmazione ha permesso di implementare su tale piattaforma gli algoritmi di controllo delle tecniche precedentemente men- zionate. E’ d’uopo menzionare che una caratteristica peculiare del sistema di controllo utilizzato `ela logica open source, valida sia per quanto at- tiene all’hardware che per quanto concerne il software. Il velivolo `estato difatti concepito con l’obiettivo di essere immediatamente utilizzabile per l’osservazione aerea ed essere, al tempo stesso, un dispositivo di studio e ricerca con il quale sperimentare, senza vincoli imposti dal produttore, nuove leggi di controllo automatico ed ulteriori funzionalit`a. Il comporta- mento del velivolo `estato dunque testato mediante un banco prova svilup- pato ad hoc con l’obiettivo di isolare la variazione di uno solo dei tre angoli di Eulero per ogni test di dinamica eseguito. Al fine di valutare rapidamente e con precisione l’efficacia del sistema di controllo, `estato sviluppato, in am- biente Matlab, un software di acquisizione ed elaborazione dei parametri di assetto e dei comandi acquisiti in tempo reale. L’esecuzione di numerosi test al banco prova ha permesso di e↵ettuare il fine tuning dei guadagni dei controllori. L’attivit`adescritta `estata seguita dall’assemblaggio di una ground station portatile realizzata in modo da poter rispondere alle esigenze degli utenti in uno scenario reale. E’ stata dunque eseguita una campagna di test sperimentali nella quale `estato valutato e confrontato l’e↵etto dei controllori automatici sulla dinamica di assetto del velivolo. I dati rac- colti sono stati utilizzati per verificare le stime dei parametri prestazionali pi`ulimitanti per questa tipologia di velivoli quali l’autonomia di durata ed il massimo carico utile. Successivamente `estato sperimentato, prima in simulazione e poi realmente, il comportamento del velivolo in caso di perdita totale di spinta da parte di uno degli otto rotori disponibili. I test, che hanno avuto esito positivo, hanno permesso di verificare la robustezza dei controllori di assetto implementati, nei limiti di accettabilit`aprevedi- bili per un possibile impiego reale. La maturit`araggiunta dal progetto ha reso fattibile l’incontro con potenziali utenti. Particolare interesse `estato manifestato dai Vigili del Fuoco del Comune di Torino con i quali `estata avviata una stretta collaborazione. Questo ha permesso di partecipare at- tivamente a simulazioni di calamit`anaturali fornendo, ai gestori del piano di emergenza, la trasmissione, in tempo reale, di immagini aeree dell’area interessata e garantendo dunque la necessaria situation awareness. Parallelamente `estata data enfasi allo studio dei fondamenti teorici alla base di pi`uinnovative tecniche di controllo automatico. In particolare sono state utilizzate le tecniche basate sull’uso di reti neurali per costruire, al cal- colatore, delle simulazioni di sistema closed loop. I risultati ottenuti hanno permesso di dimostrare la potenziale efficacia di questo strumento quando utilizzato nei range di addestramento della rete neurale. Tuttavia l’attivit`a di ricerca eseguita in tale ambito ha permesso di evidenziare che l’intrinseca complessit`ae l’inattendibilit`adel controllore al di fuori dei range di adde- stramento potrebbero avere e↵etti catastrofici sulla condotta di un volo e pertanto esistono ancora necessari margini di perfezionamento prima che queste tecniche possano di↵ondersi, con adeguata garanzia di successo, nel settore aeronautico. In conclusione l’attivit`adi ricerca `estata principalmente indirizzata all’ap- prendimento delle modalit`aoperative di implementazione di leggi di con- trollo su piattaforme aeree reali. Gli aspetti progettuali inerenti lo sviluppo di tali sistemi sono stati curati nella loro interezza, dalla fase preliminare di scelta della configurazione alla realizzazione e sperimentazione in scenari operativi,